壓電傳感器振動(dòng)課業(yè)

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TechnologyBTECHNDinElectrical/ElectronicEngineeringUnit21:MeasurementandTestingAssignmentNameofStudentUnitTitleUnit21:MeasurementandTestingAssignmentTitle壓電傳感器在物體振動(dòng)頻率測(cè)量中的應(yīng)用AssignmentNoAssignment1NameofTutorZhangHongNameofInternalVerifierZhengYangSubmissionDeadlineJune30,2011.OutcomesandAssessmentCriteriaOutcomeAssessmentCriteriaforpassFeedbackTutor’sdecision1壓電傳感器研究描述壓電材料具有壓電效應(yīng)的原理1a壓電材料的分類(lèi)及選擇1b壓電傳感器測(cè)量電路參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響1c3物體振動(dòng)頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)及分析畫(huà)出測(cè)量電路并描述工作原理3a測(cè)量電路的組成及各部分作用3b分析輸出信號(hào)頻率與物體振動(dòng)天系3cMeritGradeCriteriaMeritDescriptorsIndicativeCharacteristicsFeedbackTutor’sdecision

MlIdentifyandapplystrategiestofindappropriatesolutionsTheprocessofcalculationisillustratedstepbystepTheimprovementisinvoledM1M2Select,designandapplyappropriatemethodsandtechniquesTheprincipleofop-ampisshownindetailThesuitableamplifiersarechosen,thereasonsareconvincingandclearM2M3PresentandcommunicateappropriatefindingsThedemonstrationinEnglishisfluentenoughM3DistinctionGradeCriteriaDistinctionDescriptorsIndicativeCharacteristicsFeedbackTutor’sdecisionD1Usecriticalreflectiontoevaluateownworkandjustifyvalidconclusions?ThroughavarietyofwaystoverifytheconclusioniscorrectD1D2Takeresponsibilityformanagingandorganisingactivities?Theinformationaboutchosenamplifierisshownandcomplete,andotheroptionisadvisedD2D3Demonstratecreativethinking?Thesimulationofp-ampgivesaprecisecircuitandanexpectedoscillogramD3StudentsignatureScenariowStudentsignatureScenariow同學(xué)將下列材料譯成英文Internalverificationofassignmentbrief(finalagreedversion)IVnameDateIconfirmthatthisisallmyownworkProfessor’ssummativefeedbackandcommentsDateSignatureDateStudent’scommentsonprofessor’sfeedbackSignature DateANSWERALLTASKS

1什么是壓電式傳感器？答：壓電式傳感器是一種自發(fā)電傳感器。以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量向電量的轉(zhuǎn)換。2石英晶體的壓電機(jī)理？答：當(dāng)石英晶體不受外力作用時(shí)，硅離子和氧離子剛好在正六邊形的六個(gè)頂角上，也就是說(shuō)正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒(méi)有帶電現(xiàn)象，見(jiàn)圖5-3（a）；當(dāng)石英品體在x軸方向受力時(shí)，晶體的極面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，品體的極面B上呈現(xiàn)正電荷，見(jiàn)圖5-3（b）；當(dāng)石英品體在y軸方向受力時(shí)，晶體的極面A上呈現(xiàn)正電荷，晶體的極面B上呈現(xiàn)負(fù)電荷，見(jiàn)圖5-3（c）。（a）不受外力（c）y軸方向受力（c）y軸方向受力（b）x軸方向受力在晶體的彈性限度內(nèi)，在x軸方向上施加壓力Fx時(shí)，在x面上產(chǎn)生的電荷為=d11Fx （5-1）式中，dll為x軸方向受力的壓電系數(shù)（C/N）；Fx為x軸方向的作用力（N）。3壓電材料的分類(lèi)有哪些？答：壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類(lèi)壓電品體壓電陶瓷高分子壓電材料4壓電傳感器的測(cè)量要求是什么？答：由于外力的作用，在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能完好地保存，即需要測(cè)量轉(zhuǎn)換電路具有無(wú)窮大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一定的電流，因此，壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。5石英晶體壓電材料的缺點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)？答：石英晶體在20?200。。內(nèi)壓電系數(shù)的變化率小，因而其性能非常穩(wěn)定，不足之處在于壓電系數(shù)較小(d=2.31X10—12C/N)。因此，石英品體一般只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用。6壓電晶體與壓電陶瓷相比不同點(diǎn)有哪些？答：石英的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點(diǎn)也低。7壓電元件的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，則其電容量為￡￡AC=0rad壓電元件的開(kāi)路電壓。的表達(dá)式為U=QCa壓電式傳感器可以等效為一個(gè)電荷源，如圖5-6(a)所示。它也可等效為一個(gè)電壓源，如圖5-6(b)所示。7壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)及形式

壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式:電壓放大器和電荷放大器。由于電荷放大器中的反饋電容Cf在輸入端的等效電容滿(mǎn)足Cf（A+1）>>（Ca+Cc+Ci），因而可以忽略電纜電容Cc和前置放大器的輸入電容Ci的影響。Q—Q—Cfu= ~QA ?o_C(A+1)+(C+C+C)?f a ci8實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟壓電式傳感器由慣性質(zhì)量塊和壓電陶瓷片等組成（觀(guān)察實(shí)驗(yàn)用壓電式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)）工作時(shí)傳感器感受與試件相同頻率的振動(dòng)，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷片上，由于壓電效應(yīng)，壓電陶瓷產(chǎn)生正比于運(yùn)動(dòng)加速度的表面電荷。1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟壓電傳感器已安裝在振動(dòng)梁的圓盤(pán)上。將振蕩器的“低頻輸出”接到三源板的“低頻輸入”，并按下圖4-1接線(xiàn)，合上主控臺(tái)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)低頻調(diào)幅到最大、低頻調(diào)頻到適當(dāng)位置，使振動(dòng)梁的振幅逐漸增大（直到共振）。將壓電傳感器的輸出端接到壓電傳感器模塊的輸入端U.1，Uo1接U.2，Uo2接移相檢波低通模塊低通濾波器輸入U(xiǎn)i，輸出Uo接通信接口CH1，用上位機(jī)觀(guān)察壓電傳感器的輸出波形Uo。

壓電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K+15VGND-15V低通波波器低通波波器■UilUolUi2■Uil圖4-12）實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.改變低頻輸出信號(hào)的頻率，記錄振動(dòng)源不同振幅下壓電傳感器輸出波形的頻率和幅值。9實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：建立坐標(biāo)描點(diǎn)畫(huà)出輸入輸出曲線(xiàn)Required:Ineachpart,youshouldgivetheaccuratecircuitandsimulationfigure,whencalculationisneeded,youshouldgivethe